So sánh các phương pháp phân tích ổn định đập đất hiện nay

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1018.67 KB, 5 trang )

(1)<div class='page_container' data-page=1>

SO SÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH ĐẬP ĐẤT HIỆN NAY

COMPARISON OF EARTHEN DAM STABILITY ANALYSIS METHODS

Nguyễn Thanh Quang1, Nguyễn Thế Hùng2, Châu Trường Linh2

1Nghiên cứu sinh khóa 30, năm 2015, chuyên ngành Xây dựng cơng trình thủy, Đại học Đà Nẵng;

2Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; ,

Tóm tắt - Đập đất là loại đập vật liệu địa phương, phù hợp với
nhiều loại nền, dễ thích nghi với sự thay đổi thể tích; dễ thi cơng,
chỉ cần nắm chắc quy trình và tổ chức quản lý chất lượng chặt
chẽ là có thể xây dựng được. Hiện nay, khi phân tích ổn định
đập đất có thể sử dụng một trong hai phương pháp tính tốn
khác nhau: phương pháp thứ nhất là giả định trước mặt trượt
và xác định mặt trượt cho hệ số ổn định nhỏ nhất; phương pháp
thứ hai dựa trên việc ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn
trong địa kỹ thuật để phân tích trạng thái ứng suất – biến dạng
của môi trường đất, từ đó xác định hệ số ổn định. Nội dung bài
báo tập trung nghiên cứu so sánh việc tính tốn theo hai
phương pháp đã nêu bằng hai phần mềm Geoslope, Plaxis và
đề xuất một số kiến nghị cho bài tốn phân tích ổn định đập đất.

Abstract - Earthen dam is the kind of local materials, suitable for
many types of backgrounds, easy to adapt to the change of volume;
easy to implement and easy to build just by knowing the process and
strict quality management organization. Recently, in the analysis of
stability of earthen dams, we can use one of two different calculation
methods: the first is by assuming slip surface, then determining it for
smallest stability coefficient; the second is based on the application

of finite element method in geotechnical engineering to analyze the
stress - strain state of the soil environment, which helps to find
stability coefficient. This paper focuses on comparing the two
calculation methods outlined by Geoslope and Plaxis softwares The
paper also put forwards a number of recommendations applicable to
the problem of stability of earthen dams.

Từ khóa - đập đất; ổn định; phần tử hữu hạn; Plaxis; Geoslope. Key words - earthen dam; stability; finite element method;
Plaxis; Geoslope.

1.Giới thiệu

Đập đất là loại đập vật liệu địa phương, được xây dựng
nhằm cung cấp nước tưới phục vụ sản xuất nông nghiệp, công
nghiệp, sinh hoạt, phát điện và nhiều ngành kinh tế khác.

Khi xây dựng đập đất, đặc biệt là ở những khu vực có
địa chất phức tạp thì việc tính tốn ổn định đập là bài tốn
vơ cùng quan trọng. Tính chính xác của kết quả tính ảnh
hưởng rất lớn đến độ bền, độ ổn định lâu dài của đập khi
đưa vào khai thác và vận hành.

Hiện nay, khi phân tích ổn định mái dốc đập đất các kỹ
sư thường dùng một trong hai phương pháp: Phương pháp
thứ nhất là giả định trước mặt trượt và chỉ xét trạng thái cân
bằng giới hạn của những điểm nằm trên cung trượt (thường
gọi là phương pháp giả định mặt trượt). Phương pháp thứ
hai xem nền đất là môi trường đàn hồi – dẻo và ứng dụng
phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích ứng suất – biến
dạng của các điểm trong nền đất.

Từ thực tế đó làm nảy sinh các câu hỏi như: nên lựa
chọn phương pháp nào để phân tích? Kết quả phân tích
bằng hai phương pháp trên có khác nhau khơng?...

Để có cơ sở khoa học cho các câu hỏi như trên, bài báo
này tiến hành nghiên cứu, xác định hệ số ổn định đập đất
trong nhiều trường hợp khác nhau theo hai phương pháp đã
nêu. Trong q trình phân tích sẽ ứng dụng phần mềm
GEO-SLOPE cho phương pháp thứ nhất và phần mềm
PLAXIS cho phương pháp thứ hai.

2.Mục đích của việc phân tích ổn định đập đất 
Phân tích ổn định đập đất nhằm chủ yếu giải quyết hai
vấn đề chính:

- Căn cứ vào chỉ tiêu cường độ của đất nền và hệ số an
tồn của cơng trình, thiết kế mặt cắt đê đập hợp lý, đảm bảo
thỏa mãn yêu cầu về sử dụng.

- Đối với các kích thước mặt cắt đập và tính chất đất nền
đã xác định, tiến hành kiểm tra sự ổn định của đập đất.
3.Phân tích ổn định đập đất theo các phương pháp 
bằng các phần mềm

Từ đầu thập kỷ 70, nhờ sự xuất hiện của máy tính điện
tử, phương pháp giải gần đúng tỏ ra có hiệu quả và được
ứng dụng rộng rãi.

Bài toán ổn định đập đất rất đa dạng và phức tạp, các

mối quan hệ giữa các yếu tố đan xen chằng chịt ảnh hưởng
lẫn nhau. Để khảo sát hoặc nghiên cứu các mối quan hệ đó,
con người phải sử dụng mơ hình hóa như một cơng cụ. Tuy
nhiên, mơ hình này khơng thể xét đến tất cả các đặc điểm
của bài toán mà chỉ giữ lại các đặc điểm chính của các mối
quan hệ chính mà chúng có thể đặc trưng cho bài tốn đó.

Một số phần mềm thường được sử dụng trong phân tích
ổn định đập đất như: GEO-SLOPE, PLAXIS, ANSYS, ...

Đối với mô đun SLOPE/W trong phần mềm
GEO-SLOPE được xây dựng dựa trên một số lý thuyết tính ổn
định mái dốc như: Phương pháp Ordinary (hay còn gọi là
phương pháp Fellenius), phương pháp Bishop đơn giản
hoá, phương pháp Janbu đơn giản hoá, phương pháp
Spencer, phương pháp Morgenstern-price, phương pháp
cân bằng tổng quát Gle, .... Đặc điểm khác biệt cơ bản giữa
các phương pháp khác nhau là giả thiết liên quan đến lực
tiếp tuyến và pháp tuyến giữa các dải.

3.1.Trình tự giải bài toán ổn định đập đất bằng phần 
mềm GEO-SLOPE

</div>
(2)<div class='page_container' data-page=2>

vận chuyển chất ô nhiễm trong nước ngầm), TEMP/W
(phân tích nhiệt), VADOSE/W (phân tích mưa, bốc hơi
mặt đất), AIR/W (phân tích tương tác nước-khí) [3] [6].

Hình 1. Giao diện của Geostudio 2007 
Bước 1: Khởi động phần mềm

- Programs\GEO-SLOPE\GEOSTUDIO 2007;
- Chọn Create a SLOPE/W (Hình 1).

Bước 2: Thiết lập các thông số ban đầu 
- Thiết lập vùng làm việc;

- Thiết lập tỉ lệ;
- Thiết lập hệ lưới vẽ;

- Định dạng các trục và kích thước các trục.
Bước 3: Xây dựng mơ hình hình học 
- Sử dụng lệnh Lines trên menu “Sketch”;

- Di chuyển con trỏ để bắt dính vào các điểm ơ lưới vẽ.

Hình 2. Xây dựng mơ hình hình học bài tốn 
Bước 4: Khai báo các thông số về địa chất

- Chọn Materials từ menu “KeyIn”. Hộp “KeyIn
Materials” sẽ xuất hiện;

- Khai báo các thơng số vào hộp thoai KeyIn Materials.

Hình 3. Hộp thoại KeyIn Materials 
Bước 5: Gán các lớp đất cho bài toán 
- Chọn Regions ở menu lệnh Draw;

- Lần lượt chọn các điểm để khép kín chu vi từng lớp
đất rồi chọn lớp đất tương ứng.

Hình 4. Kết quả bài toán khi gán các lớp đất

Bước 6: Khai báo đường bão hịa 
- Sử dụng kết quả tính trên SEEP/W.

Hình 5. Kết quả thể hiện đường bão hịa 
Bước 7: Lựa chọn phương pháp phân tích

- Chọn “Analyses” ở menu lệnh “KeyIn”, hộp thoại
hiện ra như Hình 6.

Hình 6. Lựa chọn phương pháp phân tích 
Bước 8: Kiểm tra bài toán

- Chọn “Verify/Optimize” ở menu “Tools”, nếu có lỗi
chương trình sẽ thơng báo (Hình 7).

Hình 7. Kết quả kiểm tra 
Bước 9: Chạy chương trình và xem kết quả 
- Chọn “Solve Analyses” ở menu “Tools”.

- Chọn “CONTOUR” ở menu “Window” để hiển thị
tâm trượt, hệ số ổn định và mặt trượt. Lưu ý chọn phương
pháp tính theo Bishop.

3.2.Trình tự giải bài toán ổn định đập đất bằng phần 
mềm PLAXIS

Phần mềm Plaxis là sản phẩm của Đại học công nghệ
Delf – Hà Lan và được công ty Plaxis BV phát triển theo

các chủ đề riêng, được viết dựa trên phương pháp phần tử
hữu hạn phân tích bài tốn ổn định, biến dạng và dịng thấm
[4], [5].

Bước 1: Khởi động phần mềm 
- Programs\Plaxis 8.x\Plaxis Input.

Bước 2: Thiết lập các dữ liệu cho bài toán

- Trong hộp thoại “General settings” khai báo các thông
tin về bài tốn: thẻ “Project”, thẻ “Dimensions” như hình 9.

</div>
(3)<div class='page_container' data-page=3>

Bước 3: Xây dựng mơ hình hình học 
- Chọn “Geometry line” từ menu “Geometry”.

- Gán biên cho bài toán bằng cách chọn “Standard
fixities” từ menu “Load” hoặc biểu tượng .

Hình 9. Xây dựng mơ hình hình học của bài tốn 
Bước 4: Khai báo và gán số liệu địa chất 
- Chọn “Soil&Interface...” từ menu “Materials”.
- Từ hộp thoại “Material sets”, chọn “New” và khai báo
các thông số cho lớp đất mới.

- Gán các lớp đất vào mơ hình hình học.

Hình 10. Mơ hình bài tốn sau khi gán các lớp đất 
Bước 5: Xây dựng lưới phần tử

- Chọn “Gobal coarseness...” từ menu “Mesh”.

- Chọn biểu tượng để tiến hành chia lưới phần tử và xác nhận.

Hình 11. Kết quả chia lưới phần tử cho bài toán 
Bước 6: Khai báo đường bão hòa

- Chọn “Intial conditions” từ menu “Intial”.

- Chọn biểu tượng từ thanh công cụ, vẽ đường mực
nước.

- Chọn biểu tượng để tính tốn áp lực nước ban đầu
và chọn biểu tượng update để xác nhận.

Hình 12. Kết quả tính tốn đường bão hịa cho bài tốn

Bước 7: Khai báo ứng suất ban đầu

- Chọn biểu tượng và để tính tốn ứng suất
ban đầu và chọn biểu tượng update để xác nhận.

Hình 13. Thiết lập ứng suất ban đầu cho bài toán 
Bước 8: Xây dựng các trường hợp tính tốn 
- Chọn biểu tượng từ thanh công cụ.
- Chọn điểm phân tích ứng suất biến dạng từ biểu tượng .
- Thiết lập các giai đoạn phân tích.

- Chọn biểu tượng để bắt đầu tính tốn.

Hình 14. Thiết lập các giai đoạn phân tích cho bài tốn 
Bước 9: Xuất kết quả tính tốn

- Chọn từ thanh công cụ để xem mô hình
biến dạng.

4.Áp dụng tính tốn

Đập đất hồ chứa nước Tả Trạch là đập đất không đồng
chất, cao 60m, chiều dài đỉnh đập 1.187m, chiều rộng mặt
đập 10m. Nền đập chủ yếu là lớp đá phong hóa nhẹ được
xử lý bằng phun xịt vữa xi măng tạo màng chống thấm
tới độ sâu 26m [1], [2]. Cấu tạo của đập được miêu tả ở
hình 15.

Hình 15. Mặt cắt ngang đập chính hồ chứa nước Tả Trạch -

Tỉnh Thừa Thiên Huế

</div>
(4)<div class='page_container' data-page=4>

(Bảng 8, trang 139) về các trường hợp tính tốn ổn định
đập đập đất, nội dung bài báo tính tốn ổn định mái đập
theo các trường hợp sau [7]:

Trường hợp 1: Sau khi mực nước đầy và thấm ổn định
– kiểm tra ổn định mái hạ lưu (tổ hợp cơ bản). Với điều
kiện ở thượng lưu là MNDBT, ở hạ lưu là mực nước trung
bình thời kỳ cấp nước. Tức là:

- Mực nước thượng lưu : 45m (MNDBT)
- Mực nước hạ lưu : 2.5m

Hệ số ổn định cho phép trong trường hợp này là

[K] = 1,35 (Bảng 7, TCVN 8216:2009 Thiết kế đập đất
đầm nén).

Trường hợp 2: Sau khi mực nước rút – kiểm tra ổn định
mái thượng lưu (tổ hợp đặc biệt). Với điều kiện ở thượng
lưu là MNDBT rút xuống đến mực nước đảm bảo an tồn
cho đập khi có nguy cơ sự cố, ở hạ lưu là mực nước tương
ứng với Qxả maxkhi tháo nước từ hồ.

- Mực nước thượng lưu là 45m (MNDBT) rút xuống
đến mực nước đảm bảo an tồn cho đập khi có nguy cơ sự
cố là 25m (MNTL).

- Mực nước hạ lưu: 13.1m

Hệ số ổn định cho phép trong trường hợp này là [K] =
1,15 (Bảng 7, TCVN 8216:2009 Thiết kế đập đất đầm nén).
Bảng 1. Thông số các lớp đất nền tự nhiên ở mặt cắt tính tốn

trong mơ hình mơ phỏng

Thông
số

Ký

hiệu Đơn vị 2C 2A 3B 5C 6 7

Mô hình

tính tốn Model [-] MC LE MC MC LE LE

Kiểu ứng

xử Type [-] Dr. Dr. Dr. Dr. Dr. Dr.

Dung

trọng khô dry kN/m

3 15,5 - 14,4 14,3 - -

Dung

trọng ướt wet kN/m

3 18,6 - 18,5 17,9 - -

Hệ số

thấm k m/day 0,0486 0,268 0,0864 0,0247 0,743 1,382
Modul

đàn hồi Eref kN/m2 2400 15000 2830 2510 50000 55000

Hệ số

poison’s  [-] 0,35 0,35 0,35 0,35 0,35 0,35

Lực dính cref kN/m2 18 - 20,8 15,2 - -

Góc nội

ma sát 

16,17 - 15,7 17,18 - -

Góc nở  o 0 - 0 0 - -

Bảng 2. Thông số các lớp vật liệu xây dựng đập ở mặt cắt

ngang tính tốn trong mơ hình mơ phỏng

Thơng số Ký
hiệu

Đơn

vị 2B

Đất
đắp hạ

lưu
Cát
lọc

Vật

thốt
nước

Màng
vữa xịt BTCT
Mơ hình tính

tốn Model [-] MC MC MC MC LE LE

Kiểu ứng xử Type [-] Dr. Dr. Dr. Dr. Non. Non.

Dung trọng khô dry kN/m3 14,6 14,6 15,9 22,3 30,5 25
Dung trọng ướt wet kN/m3 18,7 18,8 19,5 25 - -
Hệ số thấm k m/day 0,00864 0,864 86,4 8,64 - -

Modul đàn hồi Eref kN/m2 2730 2630 1500 3E+6 6500 2.5E+7
Hệ số poison’s  [-] 0,35 0,35 0,35 0,35 0,2 0,2

Lực dính cref kN/m2 26,4 18 2 0 - -

Góc nội ma sát  o 16,02 20,37 30 32 - -

Góc nở  o 0 0 0 0 - -

4.1.Kết quả bài toán tính ổn định đập đất bằng phần 
mềm GEOSLOPE

Với phần mềm GEOSLOPE có nhiều phương pháp tính
ổn định mái đập như: Ordinary, Bishop,
Morgenstern-price, GLE, ... Tác giả đã tính tiến hành tính tốn theo các

phương pháp khác nhau cho thấy hệ số an toàn nhỏ nhất K
thu được theo các phương pháp này là khác nhau không
đáng kể; do đó trong bài báo này chọn phương pháp Bíshop
để tính tốn, vì phương pháp tính tốn này khá đơn giản và
đã được đưa vào qui phạm TCVN 8216-2009.

Trường hợp 1

Hình 16. Cung trượt nguy hiểm xuất hiện ở mái hạ lưu đập

(K=1,506)

Trường hợp 2

Hình 17. Cung trượt nguy hiểm xuất hiện ở mái thượng lưu đập

(K=1,298)

4.2.Kết quả bài tốn tính ổn định đập đất bằng phần 
mềm PLAXIS

Trường hợp 1

Hình 18. Cung trượt nguy hiểm xuất hiện ở mái hạ lưu đập

</div>
(5)<div class='page_container' data-page=5>

Trường hợp 2

Hình 19. Cung trượt nguy hiểm xuất hiện ở mái thượng lưu đập

(K=1,279)

So sánh kết quả bài tốn tính ổn định đập đất trên hai
phần mềm GEO-SLOPE và PLAXIS

Dựa vào kết quả tính trên hai phần mềm GEO-SLOPE
và PLAXIS đối với bài tốn tính ổn định đập chính hồ chứa
nước Tả Trạch có được bảng giá trị sau:

Bảng 3. So sánh kết quả tính tốn ổn định

GEOSLOPE PLAXIS Chênh lệch

Trường hợp 1 1,506 1,494 0,8%

Trường hợp 2 1,298 1,279 1,5%

5.Kết luận

Thông qua việc nghiên cứu các lý thuyết tính tốn, kết
hợp với việc ứng dụng các phần mềm để tính tốn hệ số ổn
định đập đất trong nhiều trường hợp khác nhau, Tác giả rút
ra một số kết luận như sau:

1. Mặc dù được xây dựng trên hai lý thuyết tính khác

nhau, lịch sử ra đời khác nhau. Nhưng kết quả tính ổn định
bằng phương pháp giả định mặt trượt (mặt trượt hình trụ
trịn, phân tích ổn định bằng cơng thức Bishop đơn giản, sử
dụng phần mềm GEO-SLOPE mô đun SLOPE/W) và
phương pháp phân tích ứng suất – biến dạng của môi trường

đàn hồi – dẻo (ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn, sử
dụng chương trình PLAXIS) trong các trường hợp đã nghiên
cứu cơ bản là như nhau (kết quả chênh lệch không quá 2%).

2. Qua các kết quả đã nghiên cứu có thể cho thấy các
trường hợp tính bằng phần mềm PLAXIS cho hệ số ổn định
nhỏ hơn so với khi tính bằng phần mềm GEO-SLOPE. Do
đó, nếu sử dụng phần mềm PLAXIS để tính tốn ổn và đánh
giá ổn định theo hệ số ổn định u cầu thì sẽ thiên về an tồn.

Từ các kết luận trên, trong phạm vi nghiên cứu, tác giả
kiến nghị: Khi phân tích ổn định mái các mái dốc nói
chung và mái dốc đập đất nói riêng có thể sử dụng một
trong hai phương pháp tính đã nêu mà vẫn đảm bảo sự
chính xác (điều này sẽ giúp các đơn vị thẩm tra, chủ đầu
tư có cơ sở xét duyệt phương án tính tốn của các đơn vị
tư vấn thiết kế).

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Báo cáo chính thiết kế kỹ thuật Hồ Tả Trạch – Tỉnh Thừa Thiên Huế
(2007).

[2] Báo cáo địa chất Công trình hồ Tả Trạch – Tỉnh Thừa Thiên Huế
(2010), Giai đoạn BVTC.

[3] Đỗ Văn Đệ (2002), Các bài toán mẫu tính bằng phần mềm
SLOPE/W, NXB xây dựng, Hà Nội.

[4] Đỗ Văn Đệ (2009), Phần mềm Plaxis ứng dụng vào tính tốn các

cơng trình thủy công, NXB xây dựng, Hà Nội.

[5] R.B.J Brinkgreve, 2D Version 8, Plaxis manuals, Netherlands.
[6] John Krahn (2004), Stability Modeling with SLOPE/W, Frist

Edition, Revision 1.

[7] TCVN 8216 – 2009: Thiết kế đập đất đầm nén.

</div>


Tài liệu Các Phương Pháp Phân Tích Nghiên cứu tình huống:Nghèo đói và chính sách tác động doc